En genomgång av läget för ultrakompakta superkondensatorer drar slutsatsen att det fortfarande finns mycket forskning att göra innan dessa enheter kan hålla vad de lovar. Kredit:Nano Research Energy
Ökad efterfrågan på supersmå elektroniska sensorer från sjukvård, miljötjänster och Internet of Things föranleder ett sökande efter lika små sätt att driva dessa sensorer. En genomgång av tillståndet för ultrakompakta superkondensatorer, eller "mikro-superkondensatorer", drar slutsatsen att det fortfarande finns mycket forskning att göra innan dessa enheter kan hålla vad de lovar.
Recensionen publicerades i tidskriften Nano Research Energy .
De senaste årens explosion av efterfrågan på miniatyriserade elektroniska enheter, såsom hälsomonitorer, miljösensorer och trådlös kommunikationsteknik har i sin tur drivit på efterfrågan på komponenter till de enheter som har allt mindre storlek och vikt, med lägre energiförbrukning, och allt detta till billigare priser.
Det mest illustrerande för kravet på sådana högpresterande men små komponenter för elektronik är de framväxande men betydande behoven hos Internet of Things – inbäddningen av flera mikrosensorer som kan ta emot, bearbeta och sända signaler över en rad applikationer från smart- hemteknik till sjukvården. Sådana mikrosensorer brukar användas i extremt begränsade utrymmen.
Eftersom dessa mikrosensorer – liksom deras makrokusiner – måste drivas på energi någonstans ifrån, måste de paras ihop med lika små "mikrokraft"-källor. Men införandet av konventionella energilagringsenheter som batterier, även mycket små, gör sensorerna alldeles för tunga och skrymmande för Internet of Things krav.
Som ett resultat har forskare och ingenjörer undersökt möjligheten att förvandla energikällor som ljus eller till och med mekaniska vibrationer till elektricitet, men detta kräver fortfarande någon form av energilagring för att kompensera för dessa källors intermittens och instabilitet.
Vad kan göra jobbet som ett batteri men behöver inte vara lika skrymmande som ett batteri? Mikrosuperkondensatorer är ett alternativ.
Kondensatorer kan vara bekanta för elektriker och elektroingenjörer, men allmänheten kan vara mindre bekant med hur dessa fungerar än de är med batterier. En kondensator lagrar energi men i form av ett elektriskt fält istället för kemiskt som med ett batteri. Det kan inte lagra lika mycket energi som ett batteri, men det kan ladda och frigöra sin energi mycket snabbare.
En superkondensator är en kondensator med mycket mer energilagringskapacitet än en vanlig kondensator, vilket gör den till ett halvvägshus mellan kondensatorer och batterier. Och en ultrakompakt superkondensator, eller "micro-supercapacitor" (MSC) är en superkondensator som är tillräckligt liten för att integreras i mikro- eller till och med nanoelektroniska system.
Det är dessa MSC:er som har fått växande uppmärksamhet under Internet of Things era, i synnerhet för att tillåta självförsörjande och trådlösa mikro- och nanoelektroniska funktioner. Detta beror på deras exceptionella uteffekt, ultralånga livslängder på ungefär 100 000 cykler, mer kontrollerbara diffusionsvägar för elektroner eller joner (de små kinetiska "aktörerna" som gör allt arbete i elektroniska system), justerbar uteffekt och enkel integration med supersmå system.
"Men det återstår många utmaningar för att allt detta ska fungera", säger Zhong-Shuai Wu, medförfattare till granskningsrapporten och professor vid State Key Laboratory of Catalysis, vid den kinesiska vetenskapsakademin. "Så vi tyckte att det var dags att sammanställa en recensionsartikel så att fältet bättre kan identifiera vad vi har rätt till och vad som fortfarande behöver fixas."
Översiktsartiklar är ett nyckelskede i utvecklingen av en ung disciplin så att forskare kan klargöra nuvarande förståelse, identifiera utmaningar och forskningsluckor. Recensioner kan också ge riktlinjer för policy och tips om bästa praxis.
Granskarna drog slutsatsen att storleken på de flesta MSC som har rapporterats i den vetenskapliga litteraturen fortfarande är för stor för att lätt kunna integreras i mikroelektroniska system. Begränsad uppmärksamhet har fokuserats på tillverkningen av ultrasmå MSC:er som är mindre än tio kvadratmillimeter, och på hyperkompakt inneslutning av elektrolyter (en nyckelkomponent i MSC:er) i mikroskala.
En huvudutmaning för MSC:er fortsätter att vara behovet av att minska funktionsstorleken, inklusive mikroelektrodens längd, bredd och gapet mellan intilliggande mikroelektroder. Allt detta skulle förbättra möjligheten att integrera MSC:er i relevanta enheter. I enlighet med dessa linjer har många MSC-studier fokuserat på mikrotillverkningstekniker med hög precision som fotolitografi, laserritningsteknik, etsning med fokuserad jonstråle och nya tryckmetoder.
Andra nya framsteg inom MSC inkluderar utveckling av överlägsen upplösning, avstämbar utspänning, förbättrad kapacitans (möjligheten hos MSC att samla in och lagra energi i form av elektrisk laddning) och avsättning av formanpassade elektrolyter.
Trots ett antal imponerande prestationer, särskilt på nanometerskalan, är energi- och effekttätheten fortfarande otillfredsställande för kostnadseffektiv prestanda. Dessutom fungerar teoretisk förståelse. I detta avseende argumenterar författarna för ett större tvärvetenskapligt samarbete med tanke på antalet fält som är relevanta för MSC-forskning, och skulle vilja se införandet av maskininlärning för att hjälpa till med exakt design av MSC:er för att mer exakt matcha de olika kraven i olika smarta applikationsscenarier. + Utforska vidare
